山區公路橋涵設計及其優化研究

李俊林

(山西交控集團太舊高速公路分公司，山西 太原 030031)

0 前 言

目前，山區橋涵設計中還存在很多亟待解決的問題，例如山區橋涵設計理念有待更新、結構體系有待完善、施工和管理人員的水平有待提高、山區橋涵的安全和壽命缺少足夠的重視等。在山區橋涵建設中要始終秉持實用性、安全穩定性、可靠性、美觀協調性為基本原則，對山區橋涵的建設進行全方位的考察，包括選擇合適的橋涵構造、橋涵設置位置，準確計算橋涵道路的承載力和流量，設計科學的結構體系和養護方案等。最后結合工程實例，具體分析了山區公路橋涵優化設計的要點。

1 山區公路橋涵設計中存在的問題

1.1 施工和管理水平

道路橋涵事故的原因主要有：設計不合理、施工不規范、管理不到位。要想保證修建的道路橋涵能夠安全長久地保持通行狀態，每個環節都需要加大重視，尤其是管理方面，作為橋涵建設項目施工的統籌工作，管理的漏洞會直接為橋涵今后的事故埋下鋪墊。設計和施工不達標也會給橋涵留下安全隱患，例如采用不合理的橋涵結構和材料，沒有使用最先進的技術和設備，施工過程中以次充好、偷工減料等惡習，這樣建成的道路橋涵危害更甚。

1.2 缺乏安全性和耐久性的重視

道路橋涵的設計圖紙是橋涵的靈魂，科學合理的設計方案才能建設安全耐久的橋涵，設計圖紙對橋涵的建設具有重要的指導作用。而一些人為了追求經濟利益，總想著節約開支而設計不合理的圖紙、選用不合規的建筑材料，導致橋涵在設計之初存在問題，使道路橋涵缺乏安全性和耐久性，對于山區道路橋涵而言危害更大，不僅是因為山區道路建設要求和成本更高，而且山區道路救援更是比其他地區更為復雜和艱難，一旦出現交通安全事故，很難保證駕駛人員和乘坐人員的生命財產安全。因此，道路橋涵的安全性和耐久性需要得到所有參與設計和建設人員的高度重視。

1.3 設計理念和構造體系的不完善

道路橋涵的設計理念和構造體系是需要道路橋涵設計人員首要關注的重點，在設計之初就要綜合考慮道路的各方面因素，仔細分析計劃建設的橋涵的結構和構件連接等，通過綜合評估選出科學經濟合理的建設方案，兼顧橋涵結構構造、體系和材料的選擇，盡量減少設計和施工過程中人為因素的干擾。

2 山區公路橋涵結構體系設計

2.1 上部結構設計

山區橋涵在設計時要重點關注橋墩和橋涵跨徑之間的上部結構的關系。要計算好橋墩與橋涵跨徑之間的邏輯比值，一般情況下是0.618～1，在這一比值范圍內的橋墩和橋涵的關系不僅美觀，而且能最大限度地節省造價。如果受到山川地形地勢、水文水系的影響，則不能依照一般比例來參考橋墩來決定橋涵的跨徑，而是要依據實際情況選擇合適的跨徑，且不會影響到橋涵本身的質量。

山區橋涵經常伴隨著建設彎梁橋，在彎梁橋的設計中計算其斜率是彎梁橋設計工作中最重要的一步。在彎梁橋橫坡設置的同時，還要考慮駕駛員的舒適度。在設置橋涵結構時一般要求橋面的外側高出橋面以形成以內側為基準的橫坡。設置坡度時，一般會有以下方案：①使橋涵橫坡的結構處于相同高度，將墩梁傾斜，以使支座中的支撐石和楔形砌塊作支撐導致支座的承受力達到平衡；②在橋涵設計時可使用一些方法來使橋涵橫坡的結構高度不同。典型上部結構見圖1。

圖1 橋梁上部結構圖

2.2 下部結構設計

山區橋涵的橋墩是支撐整個橋面的基礎，受山區地勢地形的影響，橋涵一般跨徑較大，比如橫跨河流、溝壑等起伏較大的地帶，因此，橋墩的高度也會隨著地形地勢的變化而變化。橋墩的高度和墩型需要根據當地實際地勢地形、水文水系等自然生態和經濟發展等人文條件為依據，選擇合適的方案。橋墩的高度設計不合理將直接影響山區橋涵的可靠性和穩定性。一般橋墩的墩型有柱形橋墩、變截面T墩和空心薄壁墩等樣式，其中最常見的是柱形橋墩，橋涵設計人員會根據當地的實際情況和經濟效益綜合考慮選擇何種橋型和橋墩。柱形橋墩一般分為方形橋墩和圓柱形橋墩，圓柱形橋墩一般會比方形橋墩結構簡單，施工更方便，應用范圍更廣；方形橋墩的結構相對協調，橋涵整體的剛度較大，穩定性更好，但需要配合其他輔助工具，例如將樁帽與樁基連接進行橋涵的施工，一定意義上增加了施工的難度和工程量。橋涵下部結構的設計和建設應基于方形橋墩和圓柱形橋墩(見圖2)的優缺點來進行分析，結合當地可施工的具體條件來選擇理想的橋墩樣式，綜合考慮安全性、穩定性、耐久性、美觀性、經濟性等要求，還要結合橋涵上部結構的具體特點來決定橋涵的下部結構。

2.3 橋臺和基礎設計

2.3.1 橋臺設計

山區橋涵橋臺的選擇除了受山地地形地勢的影響，在設計上還需要考慮其他影響因素，比如山體兩側的施工條件、山體的傾斜程度、山體動土和臺前填土的可操作性等都會影響橋涵橋臺的選擇方案。常見的橋臺類型有柱形橋臺、T型橋臺、U型橋臺等，要基于山區的具體特征選擇合適的橋臺類型，以保障山區橋涵的穩定性和安全性，同時還要計算橋臺施工的可行性。例如，遇到施工山體的傾斜度較大，此時需要設計人員考慮是否采用T型橋臺或者U型橋臺，因為這類橋臺可以減少山體的開挖，減輕施工的難度和復雜度，也可以減少工程造價，同時這類橋臺也可以很好地減輕橋臺在山區施工的復雜度，提高橋涵的安全性和可靠性，而一般不會選擇使用錐坡式橋臺來進行斜坡山體的施工。

2.3.2 基礎設計

山區橋涵的基礎一般用得最多的還是樁基礎和擴大基礎，對于地質條件好的山區大多數情況下還是會選擇擴大基礎，有時會選擇擴大基礎中的分離式擴基礎。分離式擴基礎能夠滿足橫坡地勢地形，并且擁有很好的承載力。對于斜坡山體的基礎選擇而言，需要考量覆蓋層的厚度和基礎擴散角對施工過程中產生的影響。樁基礎分為摩擦樁基礎、柱狀基礎和嵌巖基礎，其中摩擦樁基礎主要用在地質條件較差的山體路段。樁基礎的施工方式分為鉆孔式施工和挖孔式施工，其中挖孔式施工程序較復雜，需要根據當地地質條件來具體分析是否可采用挖孔式方案，例如樁基礎的樁長相對較長時可采用挖孔式，流沙層多、漂流石多的地質條件也適用于這種方式，挖孔式造樁造價成本比較低，但是要結合當地的具體條件，保障橋涵的安全可靠是首要要求。

2.4 山區公路涵洞設計

2.4.1 涵洞結構形式的選擇

涵洞的設計應因地制宜，根據當地及橋涵發展需要，基于經濟、安全、適用、美觀的原則進行涵洞的設計和建設。涵洞的建設還需要參照實際施工地周邊的地質條件以及施工場地的限制，做到實用與觀賞相結合的理想狀態。涵洞結構常見的有管涵、石拱涵、鋼筋混凝土蓋板涵、箱涵等。

常見的管涵結構有混凝土結構和波紋鋼片結構。其中混凝土結構的鋼筋用量不大，制作方便，施工速度快，但混凝土結構由于自身的特性，容易出現開裂滲水的問題，且不易維護和修理，不利于橋涵的穩定性。而波紋鋼片結構使用鋼片拼接，施工速度與混凝土相當，但波紋鋼片結構可接受一定的變形量，可以應對路基的不均勻下沉。但波紋鋼片結構建設強度大，成本高，且管內易產生泥沙堆積，影響排水的流暢。

石拱涵可采用就近取材的方案，成本低、施工簡單易操作，且石材使用壽命長，耐磨性比較好，維護成本也比較低，但是石材重量比較大，且山區不便于機械設備的運作，需要人工砌筑，施工速度慢、強度大，對于地基要求相對較高。

相較于其他材料，鋼筋混凝土蓋板涵結構簡單，重量輕，對地基要求不高，方便養護和維修，制作和施工都比較方便快捷。

箱涵一般擁有較好的整體性，對地基也有較強的適應能力，但是這類結構的涵洞一般采用鋼材制造，成本較高，制造和施工難度較大。

涵洞結構的選擇需要結合山區橋涵整體的結構特點、山區地勢地形的走向以及水文水系對沿線居民的影響大小來決定采取何種結構的涵洞。

2.4.2 涵洞立面布置

山區涵洞的立面布置需要綜合考慮各方面的因素，比如進出水口標高、路基橫斷面形式、自然溝底縱坡等。河溝縱坡≤3%，涵長≤15 m時，可以將涵洞的基礎水平布置，涵底鋪設的縱坡可以1%～3%，如果縱坡介于3%～6%，涵底可以鋪設與河溝平行的縱坡。

2.4.3 洞口構筑物的選擇

洞口構筑物的設計需要設計人員根據涵洞的實際情況有針對性地進行設計。洞口的設計比較復雜，一般會結合當地的地形地勢和水文水系特點設計洞口的結構，常見的洞口類型有八字墻、一字墻、直墻式和跌水井等。八字墻形式的洞口一般周圍地勢較為平坦，河溝比較寬。如果河溝還有一定的溝渠，涵洞也可進行排水，則可以將八字墻升級成直墻式洞口。

3 結 論

在進行山區橋涵設計時不能局限于以往對公路橋涵的設計經驗上，需要設計人員充分考慮到山區的特殊自然環境，嚴格按照山區公路橋涵的設計要求與規定結合山區地貌進行設計，使得山區公路橋涵設計的順利進行，保證山區公路橋涵工程的圓滿竣工。

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